Identifikacija parametara algoritma upravljanja i ...emp.etf.rs/radovi/Diplomski/Zivanovic.pdf · Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu Diplomski rad Identifikacija parametara

Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu

Diplomski rad

Identifikacija parametara algoritma

upravljanja i eksperimentalna verifikacija

pogona zasnovanog na trofaznom

asinhronom motoru

- Projekat miniDrive -

Kandidat

Miloš Živanović

Mentor

Prof. Dr Slobodan Vukosavić

Sadržaj

1. Uvod...........................................................................................................................2 1.1 IEEE konkurs .......................................................................................................3 1.2 Literatura..............................................................................................................4

2. Specifikacije pogona..................................................................................................5 3. Struktura miniDRIVE-a ..............................................................................................6 4. Elektromotori .............................................................................................................7

4.1 Trofazni asinhroni motor .....................................................................................8 4.1.1 Konstrukcija trofaznog asinhronog (Teslinog) motora.............................8 4.1.2 Jednačine koje opisuju rad trofaznog asinhronog motora.........................9

4.2 Odabir trofaznog asinhronog motora .................................................................14 4.2.1 Određivanje parametara trofaznog asinhronog motora...........................14 4.3.2 Upoređivanje karakteristika ....................................................................16

4.3 Literatura............................................................................................................20 8. Eksperimentalno podešavanje parametara kontrolnog algoritma ............................21

8.1 Eksperimentalni setup-i za određivanje parametara kontrolnog algoritma .......21 8.1.1 Eksperimentalni setup I...........................................................................22 8.1.2 Eksperimentalni setup II .........................................................................24

8.1.2.1 Komunikacija PC računara sa digitalnim osciloskopom .........30 8.2 Fino podešavanje parametara kontrolnog algoritma..........................................31 8.3 Literatura............................................................................................................33

9. Rezultati testiranja pogona.......................................................................................34 9.1 Rezultati testova rađenih u Laboratoriji za Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima......................................................................................35 9.2 Rezultati testova rađenih u finalu takmičenja International Future Energy Challenge .................................................................................................................41

10. Prilozi .....................................................................................................................46 10.1 Zahtevi konkursa..............................................................................................47 10.3 MatLab kod......................................................................................................50

1

1. Uvod

Ušteda energije trenutno je jedna od najzastupljenijih tema istraživanja u

oblasti elektrotehnike. Konstantan rast cene energenata, kao i ograničeni energetski

resursi na planeti Zemlji najveći su razlozi za ulaganje u navedena istraživanja.

Električna energija je jedan od najzastupljenijih oblika energije. Prema nekim

podacima, 60-70% proizvedene električne energije troši se za napajanje električnih

mašina i elektromotornih pogona [1.1, 1.2]. Rezultati istraživanja sprovedenih na

teritoriji SAD i Velike Britanije pokazuju da 90% svih motora proizvedenih u

poslednjoj deceniji 20. veka čine motori snage do 750W.

2

1.1 IEEE konkurs

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) [1.3], najveće svetsko

udruženje inžinjera elektrotehnike i elektronike, svake druge godine raspisuje konkurs

„Internacional Future Energy Challenge“ sa ciljem pospešivanja istraživanja na temu

uštede električne energije i unaprađenja elektromotornih pogona.

Teme IEEE konkursa „Internacional Future Energy Challenge 2005“ [1.4] su

bile:

• Tema A: Single-Phase Adjustable Speed Motor Drive

• Tema B: Utility Interactive Inverter System for Small Distributed Generation

Glavni zahtevi konkursa u okviru teme A, bili su da se projektuje

elektromotorni pogon sa stepenom iskorišćenja većim od 70%, sa mogućnošću

kontinualnog zadavanja brzine u opsegu od 150rpm do 5000rpm, kao i da njegova

cena na milionskom tiražu bude manja od 40 američkih dolara. Ovakav

elektromotorni pogon bi trebalo da zameni elektromotore odgovarajuće snage, jer bi

mu performanse bile superiorne u odnosu na do sad korišćena rešenja. Obzirom na

količinu električne energije utrošene za napajanje elektormotora, jasno je da bi

poboljšanje stepena iskorišćena za samo jedan procenat, značajno doprinelo uštedi

električne energije na globalnom nivou. Kompletna lista zahteva konkursa u okviru

teme A data je kao prilog u poglavlju 10.1 Zahtevi konkursa.

U okviru laboratorije za Digitalno upravljanje elektromotornim pogonima

Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu realizovan je projekat na temu A.

Celokupna dokumetacija ovog projekta (miniDrive) predstavljena je u pet diplomskih

radova čiji su autori: Bora Novaković, Ivan Petruševski, Miloš Živanović, Ušćumlić

Blagoje i Aleksandar Živković .

3

1.2 Literatura

[1.1] V.R. Stefanović, “Present Trends in Variable Speed AC Drives”, in Conf. Rec. of IPEC 1983, pp. 438-449

[1.2] B.K. Bose, (Editor) “Adjustable Speed Drives”, IEEE Press 1981. [1.3] IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - www.ieee.org [1.4] Future Energy Challenge 2005 - www.energychallenge.org/Default_2005

4

http://www.ieee.org/

http://www.energychallenge.org/Default_2005

2. Specifikacije pogona

Dimenzije 220 x 120 x 250 mm

Težina 9.66kg

Napajanje Monofazno 220V~, 50/60Hz

Brzina 100-5000 ob/min

Rezolucija komande brzine 5 ob/min

Tolerancija regulacije brzine

1) Za brzine do 1000 ob/min tolerancija ±50 ob/min 2) Za brzine preko 1000 ob/min tolerancija ±5% reference

Tip upravljanja brzinom Bezsenzorski algoritam zasnovan na merenju struje jednosmernog međukola

Nominalna snaga 500W

Nominalna brzina 1500 ob/min

Nominalni momenat 3,18Nm

Displej 1) Četiri sedmosegmentna LED displeja sa decimalnom tačkom 2) MiniDrive Windows aplikacija za PocketPC

Domet IR komunikacije 1,5m

Radni opseg temperature Od -20° do +40°C

Maksimalna nadmorska visina 1000m

Standardi IEC 60335-1

5

3. Struktura miniDRIVE-a

U ovom poglavlju date su osnovne smernice i ideje potrebne za realizaciju

ovog projekta i ispunjenje što većeg broja zahteva konkursa. Kako bi se ispunio

zahtev po pitanju kontrole brzine obrtanja vratila elektromotornog pogona, potrebno

je razmotriti nekoliko mogućih rešenja koja mogu dati informaciju o brzini ili

promeni brzine. Jedno rešenje je da se pomoću nekog od senzora za merenje brzine

dobije informacija o brzini i da se ta informacija prosledi upravljačkom kolu. U ovom

projektu nije korišćen senzor za merenje brzine zbog njegove cene, već se brzina

procenjuje na osnovu merenja struje potrošnje. Struja potrošnje se može jednostavno

meriti pomoću rednog šant otpornika.

Trofazni asinhroni motor snage 550W pokazao se kao najpogodnije rešenje

obzirom na zahteve konkursa (pogledati diplomski rad Miloša Živanovića). Po uslovu

konkursa napajanje bi trebalo da bude monofazno, pa je za generisanje trofaznog

sistema napona neophodnog za napajanje ovakvog motora potrebno obezbediti

hardver koji će to omogućiti. Ovakav hardver bi se sastojao iz ispravljačkog kola i

invertora. Za upravljanje invertorom potrebno je posebno upravljačko kolo i

odgovarajuće pomoćno napajnje. Brzina se može zadavati analogno ili digitalno

(pogledati diplomski rad Bore Novakovića). Blok šema opisanog elektromotornog

pogona data je na slici 3.1.

Trofazni asinhroni

motor

Kontrola i napajanjemotora

(Invertor)

Digitalno i analognozadavanje brzine

Monofazno napajanje230V 50Hz

ref

PHASE_A

PHASE_B

PHASE_C

Informacija o brzini obrtanja vratila motora (LED, PDA)

KontrolaZaštite

DrajveriPomoćnonapajaje

Ispravlja ko kolo(DC LINK)

č

Slika 3.1 Blok šema elektromotornog pogona miniDrive

6

4. Elektromotori

Elektromotor je uređaj koji vrši konverziju električne energije u mehaničku

energiju. Prema vrsti napajanja elektromotori se dele na:

1. elektromotore jednosmerne struje

2. elektromotore naizmenične struje.

Elektromotori naizmenične struje imaju niz prednosti u odnosu na elektromotore

jednosmerne struje. Jedna od prednosti elektromotora naizmenične struje je odsustvo

kolektora i četkica, koji inače predstavljaju najveće ograničenje i nedostatak

elektromotora jednosmerne struje, i svih problema koji usled njih nastaju.

Elektromotore naizmenične struje karakterišu manje dimenzije i mase, pa sa tim i niža

cena. Grejanje rotora trofaznog asinhronog motora je, praktično, jedina njegova loša

osobina.

Za realizaciju Single phase adjustable motor drive-a naš tim je za izbor imao

tri trofazna asinhrona motora proizvođača Sever-Subotica, Siemens i ABB i jedan

monofazni prozvođača Chezet. Glavni razlozi za izbor trofaznog asinhronog motora

su niska nabavna cena, jednostavno održavanje, jeftina eksploatacija i mogućnosti

upotrebe u opasnim uslovima (nema varničenja) i industrijskim postrojenjima visoke

čistoće (farmacija).

U ovom poglavlju dat je opis trofaznog asinhronog elektromotora koji

predstavlja osnovnu jedinicu miniDRIVE-a.

7

4.1 Trofazni asinhroni motor

4.1.1 Konstrukcija trofaznog asinhronog (Teslinog) motora

Trofazni asinhroni Teslin motor na svom statoru ima trofazne namotaje koji su

uzrok indukovanja elektromotornih sila u rotoru, tj, imaju ulogu induktora. Svaki

fazni namotaj se sastoji iz redno vezanih namotaja sinusno raspoređenih po obimu

motora. Kod trofaznog asinhronog motora prostorno i vremensko pomeranje namotaja

i struja kroz namotaje je 3

2π . Rotor izrađen od feromagnetskog materijala (gvožđa), u

kome se indukuje elektromotorna sila, tj, indukt, je cilindričnog oblika sa rupama

aksijalno probušenim po obimu cilindra. U rupe se smeštaju provodnici koji se sa

bočnih strana kratko spajaju. Takva jednostavna i jeftina izrada rotora trofaznog

asinhronog motora jeste jedna od njegovih prednosti. Na slici 4.1 prikazan je izgled

trofaznog asinhronog motora.

Slika 4.1: Izgled trofaznog asinhronog motora

8

4.1.2 Jednačine koje opisuju rad trofaznog asinhronog motora

Kada se statorski namotaji trofaznog asinhronog motora priključe na izvor

trofaznog naizmeničnog napona kružne učestanosti Sω , dobija se obrtno polje statora

koje se obrće istom tom kružnom učestanošću. Rotor se tada obrće ugaonom brzinom

Rω , a kroz rotorske namotaje tada protiče naizmenična struja kružne učestanosti Kω ,

pa se fluks rotora obrće u odnosu na rotor kružnom učestanošću Kω .

Da bi se lakše analizirao rad trofaznog asinhronog motora u stacionarnom

stanju potrebno je odrediti zamensku šemu. Da bi se odredila zamenska šema

potrebno je uvesti neke transformacije koje će olakšati analizu sistema, odnosno,

neophodno je prvo sistem predstaviti kao sistem sa dva nezavisna napona. To se može

postići Clarque-ovom transformacijom [4.1, 4.2] koja je grafički prikazana na slici

4.2. Ovakva transformacija trofazne mašine u dvofaznu je opravdana iz razloga što je

svaka struja kod trofazne mašine linearna kombinacija druge dve. Dakle dobili smo

mašinu koja ima dva statorska i dva rotorska namotaja, odnosno, sistem sa dva para

namotaja pomerena za 2π .

Slika 4.2: Princip Carque-ove transformacije

9

Jednačinama (4.1) i (4.2) definisan je princip Clarque-ove transformacije:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−−⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

c

b

a

K

iii

Kii

23

230

21

211

β

α …………….............….(4.1)

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−−⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

c

b

a

K

uuu

Kuu

23

230

21

211

β

α ……………................(4.2)

gde je koeficijent Clarque-ove transformacije. KK

Međutim, data dvofazna mašina jeste jednostavnija za analizu od trofazne, ali

nije dovoljno dobra za pravljenje zamenske šeme motora koja nam je potrebna da bi

mogli da pravimo simulaciju. Kada se sprovede analiza dvofazne mašine u αβ

koordinatnom sistemu, dobija se varijabilna matrica induktivnosti L. Kako bi se dobili

konstantni koeficijenti matrice L, na dati sistem se primenjuje takva transformacija

koja će obezbediti da mašina bude modelovana sa dva para virtuelnih rotorskih i

statorskih namotaja koji u realnosti ne postoje, ali nam omogućuju da imamo

konstantan relativni položaj između dva para namotaja, a samim tim i konstantne

koeficijente u matrici induktivnosti. Ovakva transformacija je opravdana iz razloga

što za ponašanje mašine nije bitno koji par namotaja postoji na statoru i rotoru ukoliko

različiti parovi namotaja rezultuju istim magnetopobudnim silama i poljem u

vazdušnom zazoru. Dakle, za ponašanje mašine nisu bitni namotaji α i β , nije bitno

koliko imaju provodnika, niti kolika im je struja, bitno je samo kolika im je

magnetopobudna sila (proizvod broja zavojaka i struje kroz njih). Iz uslova za istom

magnetopobudnom silom dobija se relacija (4.3):

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

S

S

TT

TT

q

d

ii

ii

β

α

θθθθ

cossinsincos

...........................................(4.3)

gde je Tθ ugao za koji je pomeren koordinatni sistem dq u odnosu na αβ . Opisana

transformacija je poznata kao Park-ova transformacija [4.1, 4.2].

10

U transformaciji statorskih namotaja na dq koordinatni sistem ugao

transformacije je Sθ , a koordinatni sistem dq rotira u odnosu na fizičke namotaje

brzinom Sω . Kad transformišemo rotorske veličine na dq sistem, on u odnosu na ose

Rα i Rβ napreduje brzinom Kω , pa će se ova brzina pojaviti u jednačinama

naponskog balansa za rotorske namotaje. Kompletan oblik jednačina naponskog

balansa je sledeći:

qSddSd dtdiRu Ψ−Ψ+= ω ...................................................(4.4)

dSqqSq dtdiRu Ψ+Ψ+= ω ....................................................(4.5)

QKDDRD dtdiRu Ψ−Ψ+== ω0 ............................................(4.6)

DKQQRQ dtdiRu Ψ+Ψ+== ω0 ...........................................(4.7)

odakle se dobija:

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⋅

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

ΨΨΨΨ

Q

D

q

d

R

R

S

S

Q

D

q

d

iiii

LMLM

MLML

0000

0000

.......................................(4.8)

Kako bi sada konačno došli do neke RL mreže, odnosno, do zamenske šeme,

posmatrajmo dati model u stacionarnom stanju, gde jednačine naponskog balansa

glase:

qSdSd iRu Ψ−= ω ................................................................(4.9)

dSqSq iRu Ψ+= ω ...............................................................(4.10)

QKDRD iRu Ψ−== ω0 .......................................................(4.11)

DKQRQ iRu Ψ+== ω0 .......................................................(4.12)

11

odnosno jednačine za fluks:

( )DddSDdSd iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ .............................(4.13)

( )QqqSQqSq iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ...............................(4.14)

( )DdDRdDRD iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ............................(4.15)

( )QqQRqQRQ iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ..............................(4.16)

Neka su:

Ddmd iii += .........................................................................(4.17)

Qqmq iii += ..........................................................................(4.18)

(imd i imq su struje magnetizacije),

sređivanjem gornjih jednačina dobijaju se statorski naponi po dq osama dati

jednačinama (4.19 – 4.20):

mqSqSSdSd MiiLiRu ωγω −−= .........................................(4.19)

mdSdSSqSq MiiLiRu ωγω ++= ..........................................(4.20)

Množenjem donje jednačine sa imaginarnom jedinicom “ j ” i njihovim sabiranje

dobija se (4.21):

( ) ( ) ( )mqmdSqdSSqdSqd jiiMjjiiLjjiiRjuu +++++=+ ωγω ........(4.21)

odnosno (4.22),

mdqSdqSSdqSdq iMjiLjiRu ωγω ++= ................................(4.22)

na isti način se rotorske jednačine svode na (4.23):

mDQkDQRkDQR iMjiLjiR ωγω ++=0 ................................(4.23)

12

Na ovaj način se dalja analiza nastavlja u kompleksnom s domenu, gde se sve

kompleksne veličine sastoje iz realne d i imaginarne q komponente. Za dobijanje

zamenske šeme je potrebno još samo rešiti problem postojanja dve različite brzine Sω

i kω , što se jednostavno rešava uvođenjem nove veličine S

kSωω

= , koja se zove

relativno klizanje. Deljenjem rotorske jednačine sa S konačno se dobijaju jednačine

koje daju zamensku šemu za stacionarno stanje:

mDQSDQRSDQR iMjiLji

SR

ωγω ++=0 …………………...(4.24)

mdqSdqSSdqSdq iMjiLjiRu ωγω ++= ……………………(4.25)

Zamenska šema trofaznog asinhronog motora za stacionarno stanje je prikazana na

slici 4.3.

Slika 4. 1: Zamenska šema asinhronog motora

Na bazi date zamenske šeme trofaznog asinhronog motora razvijen je

Simulink model pogona miniDRIVE (videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića).

13

4.2 Odabir trofaznog asinhronog motora

4.2.1 Određivanje parametara trofaznog asinhronog motora

U cilju utvrđivanja parametara upravljačkog kola u okviru projekta

miniDRIVE napravljen je Simulink model pogona. Kako bi bilo moguće dobiti bilo

kakve rezultate na osnovu simulacije, neophodno je prethodno odrediti parametre

motora za koji se simulacija vrši. Ti parametri su ustvari parametri zamenske šeme

trofaznog asinhronog motora. Potrebni parametri su određeni eksperimentalnim putem

na način opisan u daljem tekstu.

Prvi deo ispitivanja asinhronih motora je određivanje pomenutih parametara i

upoređivanje sa kataloškim vrednostima. Određivanje parametara je obavljeno na

klasičan način, ogledima praznog hoda i kratkog spoja [4.3]. Ovi ogledi su urađeni po

dva puta na svakom motoru, jedan u hladnom stanju, a drugi kada je motor zagrejan

do radne temperature. Parametri dobijeni sa ova dva ogleda su svakako bili različiti,

naročito kada su u pitanju otpornosti.

Najjednostavniji deo eksperimenta je merenje statorske otpornosti jer se ona

meri direktno unimerom (ommetrom) sa statorskih priključaka i dobija se parametar

. Zatim se prelazi na ogled praznog hoda. Kao što mu i samo ime kaže u ovom

ogledu se ne stavlja nikakvo opterećenje na vratilo motora već on ima kao opterećenje

samo svoj moment inercije koji se može zanemariti. Za ovaj eksperiment je potreban

autotransformator, čiji se napon može podići malo iznad nominalnog napona motora, i

vatmetar za merenje aktivne snage. Aktivna snaga koja se ovde meri je u stvari zbir

gubitaka u mašini i to:

SR

• gubitaka u bakru statora , 203 IRP SCuS ⋅⋅=

• gubitaka u gvožđu , FeP

• mehaničkih gubitaka . fP

Motor se, preko autotransformatora, pušta u rad i za prvu mernu tačku se

uzima napon nešto veći od nominalnog, dakle recimo 400V linijskog napona. Zatim

14

se napon spušta u određenim koracima, od po recimo 20V, do negde ispod polovine

nominalnog. Za svaku vrednost napona se mere vrednosti sledećih veličina:

• vrednost fazne struje praznog hoda fI

• snagu gubitaka gP

Na osnovu izmerenih vrednosti crtaju se krive ( )lf UfI = i . Sa

prvog grafika se dobija vrednost struje praznog hoda za nominalnu vrednost

linijskog napona . Iz ogleda praznog hoda se određuju i parametri otočne grane i

to po formulama (4.26 – 4.28):

( )lg UfP =

0I

0U

00

00 3

cosIU

Pg

⋅⋅=ϕ ..........................................................(4.26)

00 cosϕ⋅= II p ...................................................................(4.27)

220 pm III −= ....................................................................(4.28)

Konačno se dobija:

pm I

UR

⋅=

30 ......................................................................(4.29)

mm I

UX

⋅=

30 .....................................................................(4.30)

Zatim se prelazi na ogled kratkog spoja koji se realizuje tako što se nekako

ukoči rotor motora i zatim lagano podiže napon autotransformatora. Napon se podiže

dok struja ne dostigne nominalnu vrednost, a zatim se lagano smanjuje i meri za još

nekoliko vrednosti struja. Za svaku vrednost struje se meri ulazna snaga i linijski

napon . Pri struji kratkog spoja koja je jednaka nominalnoj dobijaju se vrednosti

snage kratkog spoja i linijskog napona kratkog spoja . Redni parametri se

dobijaju iz formula (4.31 – 4.35):

uP

lU

kP kU

15

23 k

kk I

PR = .............................................................................(4.31)

SkR RRR −= .......................................................................(4.32)

k

kk I

UZ3

= ..........................................................................(4.33)

22kkk RZX −= .................................................................(4.34)

2k

RSX

XX == .................................................................(4.35)

Poslednja formula je ustvari samo aproksimacija, ali je ta aproksimacija

uglavnom dovoljno dobra za većinu primena, a pokazalo se i za ovu.

Dobijene parametre je potrebno normalizovati i od njih napraviti init file koji

omogućava da se korišćenjem Simulink modela simulira ponašanje konkretnog

asinhronog motora (videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića).

4.3.2 Upoređivanje karakteristika

Za realizaciju single phase adjustable motor drive-a naš tim je za izbor imao

tri trofazna asinhrona motora proizvođača Sever-Subotica, Siemens i ABB. Glavni

razlozi za izbor trofaznog asinhronog motora su niska nabavna cena, jednostavno

održavanje, jeftina eksploatacija i mogućnosti upotrebe u opasnim uslovima (nema

varničenja) i industrijskim postrojenjima visoke čistoće (farmacija). Ideja je bila

ispitati karakteristike motora, na osnovu kojih je trebalo doneti odluku pomoću kog

trofaznog asinhronog motora realizovati pogon. Upoređujući električne karakteristike

(faktor iskorišćenja, nominalno klizanje, nominalna brzina, nominalna struja), fizičke

karakteristike (masa, zapremina) i cene, izabran je jedan od tri trofazna asinhrona

motora.

Korišćenjem kataloških podataka tri trofazna asinhrona motora [4.4, 4.5, 4.6],

koji su eksperimentalno verifikovani, kao i određivanjem dodatnih parametara tih

motora, na način opisan u predthodnom poglavlju, došlo se do konačnog izbora.

16

U tabeli 4.1 dat je prikaz relevantnih parametara trofaznih asinhronih motora.

Motor A Motor B Motor C

Nominalna snaga [W] 550 550 550 Koeficijent iskorišćenja [%] 69 68 71

Faktor snage [%] 76 78 73 Nominalna struja [A] 1.59 1.32 1.5 Relativno klizanje[%] 8.34 6 6 Masa [Kg] 9.5 10 7.9 Zapremina [l]

Tabela 4.1: Uporedni parametri trofaznih asinhronih motora

Na slici 4.4 je data zavisnost ulazne snage motora od ulaznog linijskog napona

u praznom hodu, na slici 4.5 je data zavisnost ulazne fazne struje od ulaznog linijskog

napona, dok je na slici 4.6 data ista zavisnost, ali u procentima nominalne struje.

Slika 4.4: Zavisnost ulazne snage od ulaznog napona u praznom hodu

17

Slika 4.5: Zavisnost ulazne fazne struje od ulaznog napona u praznom hodu

Slika 4.6: Zavisnost ulazne fazne struje u procentima nominalne struje od ulaznog napona u

praznom hodu

18

Sa slike 4.4 se vidi da je ulazna snaga (snaga gubitaka) pri nominalnom

napajanju u praznom hodu 108W za motor A, 97W za motor B i 68.5W za motor C.

Sa slika 4.5 i 4.6 se vidi da je ulazna struja pri istim uslovima 1.19A, što iznosi oko

75% nominalne struje za motor A, 0.94A odnosno 71% nominalne struje za motor B i

0.89A odnosno 59% nominalne struje za motor C.

Posle upoređivanja parametara navedena tri motora, izveden je zaključak da je

za implementaciju elektromotornog pogona najpogodniji od navedenih motora koji su

bili na raspolaganju motor C (proizvođač ABB serijska oznaka M2VA - 71).

19

4.3 Literatura

[4.1] Slobodan N Vukosavić, Električne Mašine i Postrojenja – skripta za

predavanja, Beograd 2003.

[4.2] Slobodan N Vukosavić, Električna vuča – skripta za predavanja, Beograd

2005.

[4.3] Slobodan N Vukosavić, Uputstvo za laboratorijske vežbe iz električnih

mašina, Beograd 2004.

[4.4] Karakteristike niskonaponskih trofaznih zatvorenih motora sa kaveznim

rotorom, www.sever.co.yu/dow/files/Ad3i12r1.pdf

[4.5] IEC Low Voltage Induction Motors 400 V 50 Hz, http://library.abb.com

[4.6] Electric motors from Siemens, www.sea.siemens.com/motors

20

www.sever.co.yu/dow/files/Ad3i12r1.pdf

http://library.abb.com/

www.sea.siemens.com/motors

8. Eksperimentalno podešavanje parametara

kontrolnog algoritma

Od kada su računari postali dovoljno brzi da mogu relativno verodostojno da

prikažu ponašanje fizičkih sistema, simulacije procesa postale su nezaobilazan

postupak u projektovanju sistema poput miniDRIVE-a. Određivanje parametara

kontrolnog algoritma putem simulacije je detaljno obrađeno u diplomskom radu

Blagoja Ušćumlića. U ovom poglavlju objašnjena je potreba eksperimentalnog

utvrđivanja parametara kontrolnog algoritma, realizacija eksperimentalnih setup-a

koji to omogućuju, kao i načini kako se ti parametri eksperimentalnim putem mogu

odrediti, a sve to na primeru pogona miniDRIVE.

8.1 Eksperimentalni setup-i za određivanje parametara

kontrolnog algoritma

Grubom analizom sastavnih delova pretvarača miniDRIVE-a, dolazi se do

zaključka da se u okviru pretvarača nalazi niz elemenata koji su uzrok drugačijeg

ponašanja sistema motor - pretvarač u odnosu na teorijski model sistema. U okviru

pretvarača se nalazi pomoćno napajanje Flyback konvertor (videti diplomski rad Bore

Novakovića) i kolo za popravku faktora snage PFC (videti diplomski rad Ivana

Petruševskog) koji zbog svoje prekidačke prirode unose šumove u sistem. Vrednost

momenta opterećenja i promene brzine obrtanja vratila rotora dobijaju se procenom

(videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića) koja se vrši korišćenjem šant otpornika, koji

je kao i svi ostali korišćeni otpornici, promenljiv sa promenom temperature. U okviru

pretvarača se nalazi i mikrokontroler sa realnim AD konvertorima, koji su takođe

nesavršeni.

21

Analizom svega navedenog, lako se zaključuje da parametri kontrolnog

algoritma dobijeni putem simulacije mogu biti korišćeni samo kao polazna osnova za

fino podešavanje ovih parametara.

Iz tog razloga neophodno je osmisliti i realizovati eksperimentalne setup-e na

kojima se mogu precizno podesiti parametri kontrolnog algoritma. Obzirom da je

projekat miniDRIVE rađen u okviru laboratorije za mikroprocesorsko upravljanje

elektromotornim pogonima, na raspolaganju je bila sva oprema pomenute laboratorije.

Uočio sam da aparatura za jednu laboratorijsku vežbu, poznata pod nazivom Vektra,

koja se izvodi u okviru laboratorije, može biti od velike pomoći za eksperimentalno

utvrđivanje parametara kontrolnog algoritma. Međutim, zbog mehaničke konstrukcije,

pomenuta oprema se može koristiti, samo na brzinama obrtanja rotora motora manjim

od 1500 obr/min. Obzirom da je potrebno podešavati parametre za brzine obrtanja do

5000 obr/min, neophodno je bilo da osmisliti još jedan setup za podešavanje

parametara. Iz tih razloga su podešavanja parametara kontrolnog algoritma vršena na

dva eksperimentalna setup-a opisana detaljnije u sledećim poglavljima.

8.1.1 Eksperimentalni setup I

Eksperimentalni setup I je nastao modifikacijom postojeće laboratorijske

stanice za vektorsku kontrolu trofaznog asinhronog motora [8.1]. Pomenuta

laboratorijska stanica u svom sastavu ima strujno regulisani naponski invertor koji

omogućuje zadavanje vektora statorske struje Si potrebne amplitude i prostorne

orjentacije, PC računar sa sistemom (enkoderom) za merenje položaja osovine rotora

Rθ i brzine obrtanja rotora Rω i DA konvertore pomoću kojih PC zadaje referentnu

vrednost struje Si .

Laboratorijska stanica omogućava upravljanje motorom, čija se brzina meri

inkrementalnim optičkim enkoderom, a statorska struja reguliše analognim strujnim

regulatorom pomoću strujno regulisanog naponskog invertora. Dakle, pomoću

opisane laboratorijske stanice može se regulisati pozicija, brzina obrtanja trofaznog

asinhronog motora ili direktno zadavati željeni elektromagnetni moment koji se

ostvaruje na osovini rotora.

22

Modifikacija postojeće laboratorijske stanice predstavlja eksperimentalni setup

I i šematski je prikazana na slici 8.1.

Slika 8.1: Šematski prikaz eksperimentalnog setup-a I

Eksperimentalni setup I se sastoji od miniDRIVE prototipa (integrisani trofazni

asinhroni motor i pretvarač koji omogućuje monofazno napajanje i kontrolu brzine

obrtanja) na čiji je rotor čvrstom vezom spojen rotor trofaznog asinhronog motora,

koji se nalazi u sastavu opisane laboratorijske stanice, a koji se koristi kao

opterećenje. Kako software laboratorijske stanice omogućuje direktno zadavanje q

komponente statorske struje koja je direktno proporcionalna momentu, jasno je da je

jako jednostavno ostvarivanje željenog kočionog momenta na vratilu pogona

miniDRIVE. Procedura podešavanja parametara kontrolnog algoritma se realizuje na

sledeći način:

• Prvo se zada referentna brzina obrtanja rotora miniDRIVE prototipa, na kojoj

se vrši podešavanje,

• Zatim se zada moment opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a preko q

komponente struje statora opteretnog asinhronog motora preko sledeće

formule 12.5

114⋅= kocq Mi

• Pošto je opteretni motor kontrolisan vektorskom stanicom razvio željeni

moment opterećenja, očitava se brzina i izvode se zaključci o daljem

podešavanju parametara kontrolnog algoritma, što će biti detaljnije objašnjeno

u poglavlju 8.2.

23

Vrednost q komponente struje statora opteretnog motora koja je

proporcionalna momentu opterećenja i brzina obrtanja se pomoću eksperimentalnog

setup-a memorišu u dat file i mogu se koristiti u daljoj analizi.

Obzirom da je navedeni setup zbog svojih mehaničkih karakteristika moguće

koristiti samo za brzine obrtanja manje od 1500 obr/min, a da je miniDRIVE potrebno

podesiti za rad sa brzinama do 5000 obr/min, neophodno je bilo osmisliti i razviti

eksperimentalni setup II.

8.1.2 Eksperimentalni setup II

Eksperimentalni setup II je nastao iz potrebe da se vrši testiranje pogona i

podešavanje parametara kontrolnog algoritma na brzinama obrtanja većim od 1500

obr/min. Za rešavanje postojećeg problema trebalo je naći način na koji se vratilo

rotora pogona miniDRIVE-a može opterećivati snagama do 250W na pomenutim

brzinama. Obzirom da sam rešenje tražio među postojećom opremom koja se nalazi u

sastavu laboratorije za mikroprocesorsko upravljanje, nastao je baš takav setup kakav

je šematski prikazan na slici 8.2.

Slika 8.2: Šematski prikaz eksperimentalnog setup-a II

24

Eksperimentalni setup II se sastoji od miniDRIVE prototipa (integrisani

trofazni asinhroni motor i pretvarač koji omogućuje monofazno napajanje i kontrolu

brzine obrtanja) na čiji je rotor čvrstom vezom spojen rotor BLDC (Brushless DC)

motora koji se koristi kao opterećenje. Na statorske priključke BLDC-a, priključen je

trofazni grec na čiji je izlaz priključen promenljivi otpornik (reostat) koji omogućuje

precizno podešavanje snage opterećenja na vratilu rotora pogona miniDRIVE. U

sastav eksperimentalnog setup-a II ulazi i digitalni osciloskop sa strujnom i

naponskom sondom koji je preko kola za galvansko razdvajanje vezan na serijski port

PC računara. O ulozi digitalnog osciloskopa i PC računara će biti više reči kasnije u

toku ovog teksta. Brzina obrtanja rotora merena je ručno digitalni tahometrom.

U opisanoj konfiguraciji, neophodno je pouzdano znati snagu opterećenja koja

se razvija na vratilu rotora pogona miniDRIVE pri svim brzinama, pa će u tekstu koji

sledi biti nešto više objašnjenja po pitanju određivanja te snage.

Kao što je već objašnjeno, vratilo rotora pogona miniDRIVE mehanički je

spojeno sa vratilom rotora BLDC-a (Brushless motor). BLDC omogućuje kočenje

pogona miniDRIVE, a kontrola kočenja se obavlja promenom opterećenja (omskog)

BLDC-a. Naime, BLDC se pogoni miniDRIVE-om i radi u generatorskom režimu

rada, pa na svojim statorskim priključcima ima vezan trofazni grec na čijem je izlazu

vezan promenljivi potrošač, kojim se menja snaga opterećivanja miniDRIVE. Stoga se

ima da je snaga opterećenja miniDRIVE-a, dakle, snaga na rotoru BLDC-a, koja je

ujedno i ulazna snaga tog sinhro-generatora data izrazom (8.1):

( )..... gubmehFeGRECgubstatJAMkoc PPPPPP ++++= ...................(8.1)

gde je:

JP Džulovi gubici, odnosno snaga opterećenja BLDC-a potrošačem, koja je data sa

(8.2):

potrpotrpotrpotrJ IUIRP ⋅=⋅= 2 ...............................................(8.2)

GRECP snaga koja se disipira na trofaznom grecu [8.2],

statgubP gubici u statoru BLDC-a, koji su dati sa (8.3):

25

22 33 potrstatstatstatstatgub IRIRP ⋅⋅=⋅⋅= ..................................(8.3)

gde je Rstat otpornost statorskih namotaja, koja se može jako lako izmeriti običnim

unimerom. Treba primetiti da u izrazu za snagu kočenja pogona miniDRIVE, nema

snage gubitaka u rotoru BLDC-a, a to je iz razloga što je rotor Brushless motora sa

permanentnim magnetima, pa gubitaka u rotoru nema.

Kako bi u potpunosti bila poznata snaga kočenja, potrebno je još poznavati veličinu

datu izrazom (8.4): dP

mehgubFed PPP += ....................................................(8.4)

Veličina , koju nazivamo dodatni gubici, jednaka je zbiru gubitaka u gvožđu i

mehaničkih gubitaka. Tu veličinu nije tako jednostavno odrediti, pa je zato prilikom

određivanja ukupne snage opterećenja korišćena procena dodatnih gubitaka. Za tu

procenu bilo je potrebno izvršiti neka dodatna merenja, ali pre toga treba razmotriti

izraz za snagu kočenja pogona miniDRIVE u sledećem slučaju:

dP

Ako je omski potrošač bekonačno velike otpornosti, odnosno, ako su statorski

priključci BLDC-a otvoreni, tada su struja potrošača, struja trofaznog greca i struja

statora, jednake nuli, pa je takođe, snaga Džulovih gubitaka, snaga disipacije na grecu,

kao i snaga statorskih gubitaka jednaka nuli. Očigledno je, da je u tom slučaju pogon

miniDRIVE opterećen samo takozvanim dodatnim gubicima. Ta činjenica se može

iskoristiti za procenu tih gubitaka, i to tako što treba snimiti krivu zavisnosti ulazne

snage miniDRIVE-a od brzine obrtanja mašina pri opterećenju BLDC-om kada nema

struje potrošača, kao i istu krivu zavisnosti ulazne snage miniDRIVE-a od brzine

obrtanja u praznom hodu, tj kada je BLDC odvojen. Poređenjem, odnosno,

oduzimanjem tih dveju krivih može se proceniti snaga Pd pri brzini od interesa.

Na opisani način, eksperimentalnim putem, snimljene su navedene dve krive

zavisnosti ulazne snage u funkciji brzine obrtanja. Posebna pažnja, pri snimanju,

pomenutih zavisnosti, posvećena je brzinama koje su od većeg značaja po uslovima

konkursa, a to su 150 obr/min, 450 obr/min, 1500 obr/min, 2500 obr/min i 5000

obr/min. Oduzimanjem dobijenih rezultata, dobijena je zavisnost snage dodatnih

26

gubitaka (gubici u gvožđu plus mehanički gubici) BLDC-a od brzine obrtanja. Na slici

8.3 prikazana je navedena zavisnost.

Slika 8.3: Kriva zavisnosti zbira gubitaka u gvožđu i mehaničkih gubitaka od brzine obrtanja BLDC mašine

27

Ako se sada vratimo na izraz za ukupnu snagu opterećenja, vidimo da u tom

izrazu figuriše i snaga disipacije na trofaznom grecu. Zavisnost snage disipacije na

trofaznom grecu [8.2] od struje izlaza greca je po kataloškim vrednostima prikazana

na slici 8.4.

Slika 8.4: Zavisnost snage disipacije od izlazne struje trofaznog greca

Ukupna snaga opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a jednaka je zbiru više

veličina čije su promene nelinearne funkcije. Dodatni gubici (gubici u gvožđu plus

mehanički gubici) su nelinearna funkcija brzine obrtanja, gubici usled disipacije na

trofaznom grecu su nelinearna funkcija izlazne struje, struja potrošača i struja statora

su usled postojanja trofaznog greca u kolu nelinearne funkcije vremena i ne mogu se

jednostavno izmeriti ampermetrom. Zbog svega toga, javila se potreba za razvijanjem

programa na PC računaru koji omogućava merenje ukupne snage opterećenja.

Navedeni program, razvijen u MatLab okruženju, preko komunikacije sa digitalnim

osciloskopom, koju ostvaruje preko serijskog porta, automatski čita odbirke u

vremenu napona na statoru, struje statora i struje potrošača. Zatim, po unošenju

vrednosti brzine, preko tastature, koja se meri digitalnim tahometrom, sračunava

pojedinačne komponente snage opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a i ispisuje

28

na ekranu PC računara vrednosti pojedinačnih komponenti opterećenja kao i ukupno

opterećenje. Vrednosti Džulovih gubitaka na opteretnom promenljivom otporniku i

statorskih gubitaka, dobijaju se usrednjavanjem u vremenu, dok se gubici na

trofaznom grecu i dodatni gubici (gubici u gvožđu plus mehanički gubici) dobijaju na

osnovu unapred snimljenih zavisnosti.

Na slici 8.5 dat je primer prozora u MatLab okruženju, koji je nastao po

startovanju programa za merenje ukupnog operećenja.

Slika 8.5: Izgled ekrana PC računara pri radu programa za izračunavanje snage opterećenja

Prilikom podešavanja parametara kontrolnog algoritma za brzine obrtanja

manje od 1500 obr/min, pogon miniDRIVE trebalo je opteretiti snagama do 500W.

Obzirom da je eksperimentalni setup II zbog tehničkih karakteristika opteretnog

BLDC motora mogao da razvije opterećenja do 250 W, za brzine ispod 1500 obr/min

korišćen je eksperimentalni setup I.

29

8.1.2.1 Komunikacija PC računara sa digitalnim osciloskopom

Digitalni osciloskop [8.3], koji je sastavni deo eksperimentalnog setup-a II,

proizvođača GoldStar (LG), imao je software za komunikaciju sa PC računarom.

Nažalost, dati software nije pružao nikakve mogućnosti korisniku za obradu podataka

snimljenih osciloskopom, već je omogućavao samo dobijanje foto izgleda ekrana

osciloskopa na PC računaru. Da bi se realizovao program u MatLab okruženju koji će

sračunavati ukupnu snagu opterećenja, potrebno je bilo prvo osmisliti način da se

veličine snimljene sondom osciloskopa, importuju u MatLab program u obliku

vektora pogodnog za dalju obradu. To je realizovano tako što je napravljen program u

MatLab okruženju koji direktno čita podatke sa digitalnog osciloskopa preko

serijskog porta. Za realizaciju tog programa bilo je neophodno saznati poruke koje

treba da razmenjuju PC računar i digitalni osciloskop, preko serijske veze, kako bi se

pročitali podaci. Te poruke su određene tako što su posmatrane poruke koje se

pojavljuju na linijama Tx i Rx serijskog porta računara kada originalni software

osciloskopa komunicira sa digitalnim osciloskopom. Zatim su te poruke

implementirane u program pod MatLab okruženjem i na taj način je ostvareno

automatsko očitavanje veličina merenih sondama osciloskopa.

30

8.2 Fino podešavanje parametara kontrolnog algoritma

U prethodnom poglavlju su opisani eksperimentalni setup-i korišćeni prilikom

podešavanja parametara kontrolnog algoritma [8.4]. U ovom poglavlju biće opisan

postupak "doterivanja" parametara kontrolnog algoritma do željene tačnosti.

Treba prvenstveno napomenuti da parametri kontrolnog algoritma dobijeni

simulacijom predstavljaju dobru polaznu osnovu za konačno podešavanje. Iz tog

razloga se prvo pogon isprogramira sa tim vrednostima parametara i onda se krene u

podešavanje. Obzirom da je ceo opseg brzina podeljen na 33 opsega (diplomski rad

Blagoja Ušćumlića), parametre ima smisla podešavati samo u tim opsezima.

Podešavanja parametara su rađena na sredini svakog opsega, osim ako se u tom

opsegu nalazila neka od brzina od posebnog značaja po uslovima konkursa, a to su

150 obr/min, 450 obr/min, 1500 obr/min, 2500 obr/min i 5000 obr/min, kada su

podešavanja rađena baš na tim vrednostima brzina. Sam postupak podešavanja

parametara kontrolnog algoritma se sastoji iz sledećeg:

• Pogon miniDRIVE se nalazi u okviru jednog od eksperimentalnih setup-a u

zavisnosti od brzine na kojoj se vrši podešavanje i zadaje mu se referenca

brzine;

• Zatim se korišćenjem setup-a optereti vratilo rotora određenom snagom,

odnosno momentom, prema zahtevima konkursa i posmatra se ponašanje

pogona po pitanju promene brzine obrtanja;

• Na osnovu kvantitativne promene brzine obrtanja procenjuje se koliko

treba promeniti postojeće parametre kontrolnog algoritma, kako bi se

promena brzine neutralisala;

• Zatim se preprogramiraju parametri kontrolnog algoritma i ceo postupak

ponavlja do postizanja željene preciznosti.

Obzirom da je opseg brzina obrtanja rotora pogona miniDRIVE podeljen na

diskretne opsege kojih ima konačan broj, program mikrokontrolera vrši interpolaciju

parametara kontrolnog algoritma (videti diplomski rad Aleksandra Živkovića) kako ne

bi došlo do skokovitih promena brzine pri prelasku iz jednog opsega u drugi. Iz tog

razloga su parametri dobijeni u postupku eksperimentalnog podešavanja, dodatno

31

podešavani kako bi se i prilikom interpolacije održalo željeno ponašanje pogona. Ta

dodatna podešavanja su vršena tako što je napravljen program u MatLab okruženju

koji je simulirao interpolaciju koju vrši mikrokontroler, i onda su parametri

podešavani tako da posle interpolacije kriva parametara prolazi kroz željene tačke,

posebno na, već pomenutim, brzinama od većeg značaja. Rezultati opisane procedure

su prikazani na slici 8.6.

Slika 8.6: Izgled interpolisane krive parametara kontrolnog algoritma

Dodatnim podešavanjima parametara kontrolnog algoritma teži se da vrednosti

parametara nastalih interpolacijom prolaze kroz tačke određene eksperimentalnim

putem.

32

8.3 Literatura

[8.1] Slobodan N Vukosavić, Uputstvo za upotrebu laboratorijske stanice za

mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima, Beograd 2003.

[8.2] International Rectifier, 26MT80 datasheet, www.irf.com

[8.3] LG GoldStar digital oscilloscope, User Manual

[8.4] Slobodan N Vukosavić, Mikroprocesorsko Upravljanje Elektromotornim

Pogonima – skripta za predavanja, Beograd 2004

33

http://www.irf.com/

9. Rezultati testiranja pogona U ovom poglavlju su dati rezultati testiranja integrisanog pogona miniDRIVE

podeljeni u dve grupe. Prvu grupu rezultata čine rezultati testova rađenih u

Laboratoriji za Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima,

Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu. Drugu grupu čine rezultati testova ređenih od

strane komisije finalnog takmičenja International Future Energy Challenge u

organizaciji IEEE-a u laboratoriji firme MPC Pruduct u Chicago-u, USA.

34

9.1 Rezultati testova rađenih u Laboratoriji za Mikroprocesorsko

upravljanje elektromotornim pogonima

Na narednim slikama su prikazani rezultati testova rađenih u Laboratoriji za

Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima na eksperimentalnim setup-

ima opisanim u prethodnom poglavlju.

Na slici 9.1 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni

opterećenja od 0 Nm do 0.318 Nm pri brzini od 150 obr/min. Varijacije brzine koje su

primetne na grafiku su posledica netačnosti merenja enkodera pri malih brzina.

Slika 9.1: Test pogona na brzini od 150 obr/min i opterećenju od 0.318 Nm

35


opterećenja od 0 Nm do 1 Nm pri brzini od 450 obr/min.

Slika 9.2: Test pogona na brzini od 450 obr/min i opterećenju od 1 Nm


opterećenja od 0 Nm do 0.318 Nm (150 W) pri brzini od 1500 obr/min.

Slika 9.3: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 0.318Nm

36



Slika 9.4: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 150 W




37




Na slici 9.7 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni opterećenja

od 0 Nm do 2.703 Nm (425 W) pri brzini od 1500 obr/min.


38

Sledeći spisak predstavlja rezultate testova rađenih na brzinama obrtanja

većim od 1500 obr/min, dakle na eksperimentalnom setup-u II.

1. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 2500 obr/min, a izmerena

snaga opterećenja je 231 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od

2494 obr/min (0.24% greške).








snaga opterećenja je 79 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od 4880

obr/min (2.4% greške).




39

Na slici 9.8 prikazana je promena struje DC linka pri step promeni opterećenja

od 0 W do 250 W pri brzini od 1500 obr/min.

Slika 9.8: Promena struje DC linka pri promeni opterećenja

U tabeli 9.1 prikazani su rezultati merenja koeficijenta korisnog dejsta pogona

miniDRIVE pri različitim brzinama obrtanja rotora.

Brzina rotora

[obr/min] Ulazna snaga [W] Snaga opterećenja

[W] Koeficijent korisnog

dejstva (η) [%] 4593 340 195 57.5 2495 272 200 73.4 1500 159 83 52

Tabela 9.1: Koeficijent korisnog dejstva pri različitim brzinama

40

41

9.2 Rezultati testova rađenih u finalu takmičenja International

Future Energy Challenge

U narednoj tabeli su prikazani rezultati testova rađenih u Laboratoriji firme

MPC Product u Chicago-u, USA. Testiranje pogona je sprovela komisija finalnog

takmičenja International Future Energy Challenge u organizaciji IEEE-a. Na slici 9.9

prikazani su grafici merenja polazne (In-rush) struje pogona miniDRIVE.

Tim: Elektrotehnički fakultet, Univerziteta u Beogradu, Srbija Ukupna težina: 21.3 lbs / 9.6615 kg

ULAZ IZLAZ TEMPERATURA

Test Komandni

napon [V]

Moment opterećenja

[Nm]

Napon[V]

Struja[A]

Aktivna snaga P

[ W]

Faktor snage

[cosϕ ]

Prividna snaga S

[W]

Brzina [obr/min

]

Moment [Nm]

Snaga opterećen

ja [W]

Koeficijent korisnog dejstva

[%]

Ambijent [°C] Motor [°C]

Potrošnja u stand-by režimu,

prekidač isključen

Nije priključen Neopterećen 245.3 0 0 0 0 N/A N/A N/A 22.1 23.2

Potrošnja u stand-by režimu,

prekidač uključen

Nije priključen Neopterećen 243.7 0.1 5 0.3 20 N/A N/A N/A

Polazna (in-rush) struja, prekidač

uključen

Nije priključen Neopterećen Rezultat je prikazan na grafiku na slici 9.9 23.3

Polazna (in-rush) struja, pogon

uključen 2 Neopterećen Rezultat je prikazan na grafiku na slici 9.9

2 Neopterećen 242.6 0.379 60 0.655 91.6 992.2

4 Neopterećen 242.8 0.37 57 0.64 90.1 1972

6 Neopterećen 242.8 0.395 63 0.651 95.6 3010

8 Neopterećen 242.7 0.457 78.7 0.71 110 3974 23

Provera kontrolnog signala za

zadavanje brzine

10 Neopterećen 242.2 0.55 104 0.773 134 4986 23

Test sa opterećenjem 50 W, 1500 obr/min

3 0.32 242 0.56 105 0.777 136 1525 0.32 51.91 48.670

42


Test Komandn

i napon [V]

Moment opterećenj

a [Nm]

Napon[V]

Struja[A]

Aktivna snaga P

[ W]

Faktor snage

[cosϕ ]

Prividna snaga S

[W]

Brzina [obr/mi

n]

Moment [Nm]

Snaga opterećenj

a [W]


[%]



3 1.27 239.5 1.217 289 0.992 291 1520 1.27 202.15 69.948 23.8


3 2.23 235.9 2.268 531 0.993 535 1472 2.23 343.75 64.736


3 2.7 232.8 3.195 740 0.994 (ind) 745.6 1427 2.7 403.47 54.524 27.2

0.3 --> 2.55 102 0.86 5.43 Test pri malim brzinama:

povećavanje brzine od 150 do 1500 obr/min -

2.55Nm

-->3 2.55 1488 0.58 90

3 0.32 --> 242.3 0.55 109 0.786 138 1470 0.315 48.49 44.486 28.1 Step opterećenje sa

50 W na 350 W 3 --> 2.55 235 2.705 632 0.9936 (ind) 635 1414 2.56 379.1 59.984 28.4

3 1.27 241.4 1.172 280.6 0.991 (cap) 283 1455 1.27 193.5 68.959 21.0 28 Test pri velikim

brzinama: povećavanje

brzine od 1500 do 5000 obr/min -

500 W

10 0.38 240.9 1.341 319.8 0.992 (cap) 283 4771 0.39 194.85 60.929 27.5

5000 obr/min pri 50 W 10 0.18 241.8 0.774 160 0.854 185 4925 0.18 92.83 58.019 27.6

150 obr/min pri 0.318 Nm 0.3 0.32 244.01 0.274 36.27 0.548

(cap) 66.25 133 0.315 4.39 12.104

43


Test Komandn

i napon [V]

Moment opterećenj

a [Nm]

Napon[V]

Struja[A]

Aktivna snaga P

[ W]

Faktor snage

[cosϕ ]

Prividna snaga S

[W]

Brzina [obr/mi

n]

Moment [Nm]

Snaga opterećenj

a [W]


[%]


2500 obr/min pri 200 W 5 0.764 240.2 1.186 281.7 0.992 284 2502 0.77 201.75 71.619 27.6

450 obr/min pri 1Nm 0.9 1 242.8 0.507 92.6 0.753 123 410 0.99 42.51 45.902 28.2

Merenje nivoa buke 3 2.55 1417 obr/min -- 63 dB pri 368 W (na stolu) -- 72 dB pri 374 W (iznad stola) 31.5

Privremeno ukljanjanje

kontrolnog napona Uklonjen 2.55 1407 obr/min -- 374.4 W – nije bilo problema, motor se zaustavio pri uklanjanju

kontrolnog napona i ponovo pokrenuo pri ponovnom priključivanju

Privremeno ukljanjanje napajanja

3 2.55 1415 obr/min -- 381 W -- nije bilo problema, motor se zaustavio pri uklanjanju napajanja i ponovo pokrenuo pri ponovnom priključivanju

Test rada pogona bez hlađenja 5

minuta 3 2.55 1404 2.565 377.12 21.3

34.1 na početku, 41.0

na kraju Test sa blokiranim

rotorom 3 rotor blokiran Rotor je bio blokiran 30 sekundi. Ništa se nije desilo. Pogon je prošao test.

Električne smetnje - FCC Class A 3 2.55 Pogon je ispunio kriterijume za FCC Class A 1442 2.55 385.06

Test izdržljivosti: konstantan rad 2

sata 2 opterećenje

ventilatora Pogon je ispravno radio dva sata.

Tabela 9.2: Rezultati testiranja sprovedeni u okviru finalnog takmičenja

44

45

Slika 9.9: Polazna (in-rush) struja pogona

10. Prilozi

46

10.1 Zahtevi konkursa

Design Concept/Function

Minimum Target Requirement

1. Manufacturing cost No more than US$40 when scaled to high-volume production (approximately 1 million units/year).

2. Complete package size

A convenient shape with volume less than 4 L. (Motor maximum dimensions are given below.)

3. Complete package weight

Mass less than 8 kg for the complete system.

4. Output power capability and speed range

500 W continuous shaft output power at a nominal speed of 1500 RPM, and also at higher speeds up to 5000 RPM. Continuous output torque of at least 3.18 N-m at speeds from 150 RPM to 1500 RPM.

5. Input source Single-phase source at 50 Hz or 60 Hz. Teams may select either to design for nominal 120 V at these frequencies or for nominal 240 V at these frequencies.

6. Overall energy efficiency

Higher than 70% for shaft loads ranging from 50 W to 500 W. Efficiency will be tested at a nominal speed of 1500 RPM and also for the entire speed range from 150 RPM to 5000 RPM.

7. Power factor Power factor measured at the electrical input should be at least 80% when tested under a 500 W shaft load at 1500 RPM. Current waveform should conform to requirements in IEC1000-3-2 standards.

8. Safety The system is intended for safe use in a home appliance or household HVAC system.

9. Speed control Speed is to be controlled from start to the full 5000 RPM with a linear 0-10 V analog signal, referenced to the unit case. Except for starting, no testing will be performed below 150 RPM.

9. Speed regulation and accuracy

The actual operating speed should remain within ±5% of the voltage command setting (2 V/1000 RPM) from no-load to full-load.

10. Acoustic noise Low noise. Less than 50 dBA sound level measured 0.5 m from the unit.

11. Electrical noise Able to meet FCC Class A—industrial requirements for conducted and radiated EMI.

12. Protection Self-protection against continuous stall conditions, over temperature, or loss of input source with no damage caused by any of these (up to the maximum storage temperature).

13. Environment Open drip proof motor construction is acceptable. Ambient temperature -20°C to +40°C. Suitable for indoor or outdoor domestic applications.

14. Lifetime The system should function for at least ten years with no maintenance needs when subjected to normal use in a 20°C to 30°C ambient environment.

15. Technical report Design, simulation, experiment results, lifetime analysis, and cost study.

47

Additional Hardware Specifications

1. Inrush and starting current

Operating current shall not exceed 150% of the nominal full-load current under any conditions, including power-on inrush and motor starts.

2. Phases and motor phasing

The input power source is single phase. There are no restrictions on the motor technology or motor phase count as long as the system operates from single-phase power.

3. Motor dimensions The motor itself must be no larger than NEMA Frame Size #48. Radius from shaft center to mounting points not to exceed three inches or 76.2 mm. Overall length (not including shaft extension) not to exceed 7.75 inches or 197 mm.

4. Coupling and mount

Motor is to be provided with a footed or cradle mount with base holes corresponding to NEMA Frame #48 (width spacing 108 mm or 4.25 in, length spacing 70 mm or 2.75 in), located 76.2 mm (3 in) below the shaft center. Motor shaft diameter is to be 0.50 in (12.7 mm), or the team can provide a suitable adapter to achieve this diameter. The shaft should extend at least 38 mm beyond the motor case.

5. Safety The final rules will contain detailed safety information. No live electrical elements are to be exposed when the system is fully configured.

6. Connection The complete unit is to be provided with an IEC 320 input connection, with a clear label stating the voltage requirement.

7. Storage temperature range

-20 to 60°C

8. Bearings Any choice of bearings is acceptable, provided no lubrication or maintenance will be needed during a ten-year normal duty operating life.

9. Handling The unit must be robust enough for normal handling by a technician with no special training.

10. Shipping environment

Can be shipped by conventional air freight or truck freight.

11. Displays and data No displays or data capability are required, although a digital display of running speed is encouraged. A control dial with markings is required, as stated above.

12. Command signal Access to the speed control voltage signal is to be provided either through a conventional BNC jack or a pair of screw terminals. The input should be protected against accidental polarity reversal. The speed must return to zero if no signal is connected.

13. Switch The unit must include an on/off switch. When the switch is off, the input power must not exceed 1 W.

48

Prototype Test Considerations

1. Inspections All prototypes of approved Finalist teams must pass safety inspection prior to operation. All prototypes must function correctly during a 15-minute initial operation check before proceeding.

2. Test energy source: voltage

Prototypes will be tested with available power consistent with the selected voltage rating. Either 50 Hz or 60 Hz may be used.

3. Test duration An automated load sequencing operation will be tested for up to 24 hr continuous.

4. Typical operation tests

Tests for steady-state performance, protection, robustness to stalls, acoustic noise, electromagnetic noise may be conducted.

5. Source interface tests

Tests for transient loads may be conducted, within the allowed torque, speed, and power range.

49

10.3 MatLab kod

Kod programa razvijenog u MatLab okruženju koji omogućuje komunikaciju

digitalnog osciloskopa i PC računara, automatsko očitavanje veličina snimljenih

sondom osciloskopa i izračunavanje ukupne snage opterećenja:

close all clear all clc s=serial('COM2','BaudRate',4800); s.timeout=20; s.InputBufferSize=1024*8; A1=[83 49 13]; B1=[82 49 40 48 48 48 48 44 49 48 48 48 44 66 41 13]; C1=[82 111 40 49 41 13]; fopen(s); %%%%%%%%%%%Snimanje napona sa eksternog otpornika%%%%%%%%%%%%% disp('postavi naponsku sondu na EKSTERNI otpornik i pritisni enter'); pause; fwrite(s,A1,'int8'); A2=fread(s,2,'uint8'); zakasnjenje1=clock; zakasnjenje=zakasnjenje1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 zakasnjenje=clock; end fwrite(s,B1,'int8'); B2=fread(s,1015,'uint8'); fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8'); Ur1=B2(15:1014); Ur1=Ur1'; V=input('korak naponske ose= '); T=input('korak vremenske ose u sekundama= '); korak=T/100; t=korak:korak:1000*korak;

Uotpornik=(-4*V+8*V*Ur1/256)*4/3; figure(1) plot(t,Uotpornik) if max(Uotpornik)>0 ymax=1.1*max(Uotpornik); else ymax=0.9*max(Uotpornik); end if min(Uotpornik)<0 ymin=1.1*min(Uotpornik); else ymin=0.9*min(Uotpornik); end grid on axis([0 max(t) ymin ymax]) %%%%%%%%%%%Snimanje struje otpornika%%%%%%%%%%%%% disp('postavi strujnu sondu na prikljucak EKSTERNOG otpornika i pritisni enter'); pause; fwrite(s,A1,'int8'); A2=fread(s,2,'uint8'); zakasnjenje1=clock; zakasnjenje=zakasnjenje1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 zakasnjenje=clock; end fwrite(s,B1,'int8'); B2=fread(s,1015,'uint8'); fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8'); Igrec1=B2(15:1014); Iotpornik=Igrec1'; I=input('korak strujne ose= '); %T=input('korak vremenske ose u sekundama= '); korak=T/100;

50

end %t=korak:korak:1000*korak; if min(Istat)<0 Iotpornik=(-4*I+8*I*Igrec1/256)*4/3; ymin=1.1*min(Istat); else figure(2) ymin=0.9*min(Istat); plot(t,Iotpornik) end if max(Iotpornik)>0 grid on ymax=1.1*max(Iotpornik); axis([0 max(t) ymin ymax]) else ymax=0.9*max(Iotpornik); end Prsum=0; if min(Iotpornik)<0 Pstatsum=0; ymin=1.1*min(Iotpornik); Iotporniksum=0; else ymin=0.9*min(Iotpornik); pr=Uotpornik.*Iotpornik; end for i=1:length(pr) grid on Prsum=Prsum+pr(i)*korak; axis([0 max(t) ymin ymax]) end; Potpornik=Prsum/max(t); %%%%%%%%%%%Snimanje struje

statora BLDC-a %%%%%%%%%%%%% pstat=1.5*Rstatmereno*Istat.^2; for i=1:length(pstat) disp('postavi strujnu sondu na statorski

prikljucak i pritisni enter'); Pstatsum=Pstatsum+pstat(i)*korak; end; pause; Pstat=Pstatsum/max(t); fwrite(s,A1,'int8'); brzina=input('brzina rotora= '); A2=fread(s,2,'uint8'); j=1; for i=1:length(n_t1) zakasnjenje1=clock; if n_t1(i)<brzina zakasnjenje=zakasnjenje1; j=j+1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 end zakasnjenje=clock; end end PgubBLDC=Pgub_t(j); fwrite(s,B1,'int8'); for i=1:length(Iotpornik) B2=fread(s,1015,'uint8'); Iotporniksum=Iotporniksum+Iotpornik(i)*korak;

fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8');

end; Iotporniksred=Iotporniksum/max(t); Istat1=B2(15:1014); struja_greca=Iotporniksred; Istat11=Ustat1'; j=1; for i=1:length(Igrec) I=input('korak strujne ose= '); if Igrec(i)<struja_greca %T=input('korak vremenske ose u

sekundama= '); j=j+1; end korak=T/100; end %t=korak:korak:1000*korak; Pgub_greca=Pgrec(j); Istat=(-4*I+8*I*Istat1/256)*4/3; P=Potpornik+Pstat+PgubBLDC+Pgub_greca; fclose(s); Pgub_otpornik=Potpornik figure(3) Pgub_Pstat=Pstat plot(t,Istat) Pgub_BLDC=PgubBLDC if max(Istat)>0 Pgrec=Pgub_greca ymax=1.1*max(Istat); Ptotal=P else

ymax=0.9*max(Istat);

51

Documents

Identifikacija parametara algoritma upravljanja i ...emp.etf.rs/radovi/Diplomski/Zivanovic.pdf · Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu Diplomski rad Identifikacija parametara